Une structure doit être conçue pour résister à toutes les charges qui devraient agir sur elle pendant sa durée de vie. Sous l'effet des charges appliquées prévues, la structure doit rester intacte et fonctionner de manière satisfaisante. En outre, la construction d'une structure ne doit pas nécessiter une quantité démesurée de ressources. La conception d'une structure est donc un équilibre entre la fiabilité nécessaire et l'économie raisonnable.
Les produits du bois sont fréquemment utilisés pour fournir les principaux moyens de soutien structurel des bâtiments. L'économie et la solidité de la construction peuvent être obtenues en utilisant des produits du bois comme éléments d'applications structurelles telles que les solives, les montants muraux, les chevrons, les poutres, les poutrelles et les fermes. En outre, les produits de revêtement et de platelage en bois jouent à la fois un rôle structurel en transférant les charges du vent, de la neige, des occupants et du contenu aux principaux éléments structurels, et une fonction d'enveloppe du bâtiment. Le bois peut être utilisé dans de nombreuses formes structurelles telles que les maisons à ossature légère et les petits bâtiments qui utilisent des éléments répétitifs de petite dimension ou dans des systèmes d'ossature structurelle plus grands et plus lourds, tels que la construction en bois de masse, qui est souvent utilisée pour les projets commerciaux, institutionnels ou industriels. La conception technique des composants et systèmes structuraux en bois est basée sur la norme CSA O86.
Au cours des années 1980, la conception des structures en bois au Canada, conformément au Code national du bâtiment du Canada (CNB) et à la norme CSA O86, est passée de la conception des contraintes de travail (WSD) à la conception des états limites (LSD), rendant l'approche de la conception structurelle pour le bois similaire à celle des autres principaux matériaux de construction.
Toutes les approches de conception structurelle exigent les éléments suivants pour la résistance et l'aptitude au service :
Résistance des éléments = Effets des charges de calcul
En utilisant la méthode LSD, la structure et ses composants individuels sont caractérisés par leur résistance aux effets des charges appliquées. Le CNB applique des facteurs de sécurité à la fois au côté résistance et au côté charge de l'équation de conception :
Résistance pondérée = Effet de charge pondéré
La résistance pondérée est le produit d'un facteur de résistance (f) et de la résistance nominale (résistance spécifiée), tous deux indiqués dans la norme CSA O86 pour les matériaux et les assemblages en bois. Le facteur de résistance tient compte de la variabilité des dimensions et des propriétés des matériaux, de l'exécution, du type de défaillance et de l'incertitude dans la prédiction de la résistance. L'effet de la charge pondérée est calculé conformément au CNB en multipliant les charges réelles sur la structure (charges spécifiées) par des facteurs de charge qui tiennent compte de la variabilité de la charge.
Il n'existe pas deux échantillons de bois ou de tout autre matériau ayant exactement la même résistance. Dans tout processus de fabrication, il est nécessaire de reconnaître que chaque pièce fabriquée sera unique. Les charges, telles que la neige et le vent, sont également variables. Par conséquent, la conception structurelle doit tenir compte du fait que les charges et les résistances sont en réalité des groupes de données plutôt que des valeurs uniques. Comme pour tout groupe de données, il existe des attributs statistiques tels que la moyenne, l'écart-type et le coefficient de variation. L'objectif de la conception est de trouver un équilibre raisonnable entre la fiabilité et des facteurs tels que l'économie et l'aspect pratique.
La fiabilité d'une structure dépend d'une série de facteurs qui peuvent être classés comme suit :
- les influences externes telles que les charges et les changements de température ;
- la modélisation et l'analyse de la structure, des interprétations du code, des hypothèses de conception et des autres jugements qui constituent le processus de conception ;
- la solidité et la consistance des matériaux utilisés dans la construction ; et
- la qualité du processus de construction.
L'approche LSD consiste à fournir une résistance adéquate à certains états limites, à savoir la résistance et l'aptitude au service. Les états limites de résistance font référence à la capacité de charge maximale de la structure. Les états limites d'aptitude au service sont ceux qui restreignent l'utilisation et l'occupation normales de la structure, comme une déflexion ou des vibrations excessives. Une structure est considérée comme défaillante ou impropre à l'utilisation lorsqu'elle atteint un état limite au-delà duquel ses performances ou son utilisation sont compromises.
Les états limites pour la conception du bois sont classés dans les deux catégories suivantes :
- Les états limites ultimes (ELU) concernent la sécurité des personnes et correspondent à la capacité de charge maximale. Ils comprennent des défaillances telles que la perte d'équilibre, la perte de capacité de charge, l'instabilité et la rupture ; et
- Les états limites d'aptitude au service (ELAS) concernent les restrictions à l'utilisation normale d'une structure.
Les exemples de SLS comprennent la déflexion, les vibrations et les dommages localisés.
En raison des propriétés naturelles uniques du bois, telles que la présence de nœuds, la flache ou l'inclinaison du grain, l'approche de la conception pour le bois nécessite l'utilisation de facteurs de modification spécifiques au comportement structurel. Ces facteurs de modification sont utilisés pour ajuster les résistances spécifiées dans la norme CSA O86 afin de tenir compte des caractéristiques du matériau propres au bois. Les facteurs de modification couramment utilisés dans le calcul des structures en bois comprennent les effets de la durée de la charge, les effets de système liés aux éléments répétitifs agissant ensemble, les facteurs de conditions de service humides ou sèches, les effets de la taille des éléments sur la résistance et l'influence des produits chimiques et du traitement sous pression.
Les systèmes de construction en bois ont un rapport résistance/poids élevé et les constructions à ossature légère en bois contiennent de nombreux petits connecteurs, le plus souvent des clous, qui offrent une ductilité et une capacité importantes lorsqu'il s'agit de résister à des charges latérales, telles que les tremblements de terre et le vent.
Les murs de cisaillement et les diaphragmes à ossature légère constituent une solution de contreventement latéral très courante et pratique pour les bâtiments en bois. Généralement, le revêtement en bois, le plus souvent du contreplaqué ou des panneaux à copeaux orientés (OSB), qui est spécifié pour résister à la charge de gravité, peut également faire office de système de résistance aux forces latérales. Cela signifie que le revêtement remplit plusieurs fonctions, notamment la distribution des charges aux solives du plancher ou du toit, le contreventement des poutres et des montants pour éviter qu'ils ne se déforment et la résistance latérale aux charges dues au vent et aux tremblements de terre. D'autres systèmes de résistance aux charges latérales sont utilisés dans les bâtiments en bois, notamment les cadres rigides ou les portiques, les contreventements à genoux et les contreventements transversaux.
Un tableau des portées typiques est présenté ci-dessous pour aider le concepteur à choisir un système structurel en bois approprié.
Pour plus d'informations, consultez les ressources suivantes :
Introduction à la conception en bois (Conseil canadien du bois)
Manuel de conception en bois (Conseil canadien du bois)
CSA O86 Conception technique du bois
